لیزری که جـهان علـم را دگرگون کرد

یکی دیگر از موضوعاتی که بیشتر ما درباره لیزر نمی‌دانیم این است که مخترع لیزرهای گازی ـ که نقش مهمی در توسعه فناوری‌های نوین اطراف ما دارد ـ یک محقق ایرانی به نام دکتر علی جوان بوده است. وی که سال‌ها در زمینه فیزیک کوانتوم و طیف‌نگاری فعالیت تحقیقاتی داشت، در 22 شهریور 1395 در 89 سالگی درگذشت.

از کشف طبیعت موجی اتم تا اختراع لیزر

دکتر علی جوان معتقد بود لیزر نتیجه شناخت انسان از طبیعت موجی اتم‌هاست. سال 1299/ 1920 ساختار اتم‌ها تا کوچک‌ترین جزو شناخته شد و دانشمندانی مثل نیلز بور، اروین شرودینگر و اینشتین از همان زمان این کشف را دنبال می‌کردند. مطالعات دانشمندان و محققان در این حوزه سال‌ها ادامه پیدا می‌کند و دقیقا 40 سال بعد، دکتر علی جوان با همراهی ویلیام بنت در گروه تحقیقاتی لابراتوار بل، لیزر گازی هلیم نئون را ابداع می‌کند.

لیزر گازی نقطه عطفی در تاریخ فناوری‌های نوین دنیا به حساب می‌آید. در این نوع لیزر، گازی درون لوله شفافی مانند لامپ مهتابی می‌رود و سپس عبور جریان از این لوله باعث رفت و آمد فوتون می‌شود. به عبارت ساده‌تر داخل دستگاه لیزر، دو الکترود جریان برق را آهسته از میان گاز عبور می‌دهند و فعل و انفعالاتی رخ می‌دهد که انرژی الکتریکی را به عنوان انرژی درونی و ذخیره فعال می‌کند. در نهایت این لیزر گازی جریان الکتریسیته را از طریق گاز برای تولید نور تخلیه می‌کند.

ارتباطات فیبر نوری، کلید توسعه اینترنت

این دانشمند ایرانی سال 2007 میلادی به عنوان دوازدهمین نخبه در میان صد نخبه زنده جهان از نظر نشریه انگلیسی تلگراف شناخته شد. این موفقیت از زبان دکتر جوان اینچنین روایت می‌شود: روز 21 آذر 1339/ 12 دسامبر 1960، در حالی که برف سنگینی در حال باریدن بود و ساعت دقیقا 4 و 20 دقیقه بعدازظهر بود، برای اولین بار در تاریخ علم، نور لیزر از یک دستگاه لیزر گازی سرچشمه گرفت. من زمان را طوری برنامه‌ریزی کرده بودم که بتوانم قبل از کریسمس آن سال دستگاه فعال لیزری که می‌توانست نور لیزر را از اتم‌ها استخراج کند، طراحی کنم و این اتفاق زمانی رخ داد که منتظرش بودم.

روز بعد از این اختراع، نخستین مکالمه تلفنی با استفاده از روش انتقال پرتو لیزر اتفاق افتاد. در واقع یکی از کاربردهای مهم لیزر گازی، شکل‌گیری پایه‌ای برای ایجاد ارتباط از طریق فیبر نوری بوده است. ارتباطات لیزری با فیبر نوری به عنوان فناوری کلیدی اینترنت در دنیای امروز ما شناخته می‌شود. در واقع لیزرهای گازی هلیوم و نئون نخستین لیزرهایی بودند که به تولید انبوه رسیدند. ازجمله کاربردهای این نوع لیزر استفاده در دستگاه‌های اسکنر، چاپگر و انواع تجهیزات پزشکی است.

لیزر چگونه دنیای ما را تغییر داد؟

دستگاه‌های لیزر از نور برای ذخیره، انتقال و چاپ عکس و متن استفاده می‌کنند. همچنین انواع لیزر به عنوان اسلحه یا لیزرهای پزشکی دنیای اطراف ما را متحول کرده‌اند.

در واقع تابش متمرکز نور، خواص فیزیکی به فناوری لیزر می‌دهد که آن را از نورهای ایجاد شده از منابع دیگر متمایز می‌کند. این خواص باعث می‌شود لیزر کاربردهای وسیعی در حوزه‌های گوناگون بویژه صنعت و پزشکی داشته باشد. با توجه به کشف این خواص، دیگر پیشرفت فناوری بدون حضور لیزر
قابل تصور نیست.

لیزر در واقع نوری تقویت شده است که اشعه دریافتی را منسجم و متمرکز می‌کند. نخستین علت ساخت لیزر در ابتدا دستیابی به امواج تقویت شده مایکروویو بود. لیزر از حروف اول کلماتی به معنای تقویت نور به روش گسیل القایی تابش گرفته شده است. البته پیش از آن دستگاهی به نام میزر (Maser) به معنی تقویت‌کننده امواج مایکروویو، سیگنال‌های رادیویی را که از فضا وارد جو زمین می‌شود تقویت می‌کرد. پس از آن لیزر نیز با همین ماهیت و با هدف تقویت امواج نوری طراحی و ساخته شد.

نوع دیگری از لیزرها علاوه بر لیزرهای گازی، لیزر دی‌اکسیدکربن است که می‌تواند نور لیزر قدرتمندی تولید کند. این لیزر معمولا در رادارها، صنایع جوشکاری و ساخت وسایل ظریف و دقیق پزشکی
استفاده می‌شود.

در محفظه این لیزر هلیوم و نیتروژن استفاده شده و وظیفه نیتروژن ذخیره الکترودهاست. پس از برخورد مولکول‌های نیتروژن به مولکول‌های دی‌اکسیدکربن، مولکول‌ها برانگیخته می‌شوند و زودتر به ترازهای انرژی عادی یا به عبارتی حالت عادی خود باز می‌گردند.

اهمیت اختراع لیزر گازی

همزمان با مطالعات و آزمایش‌های دکتر جوان، دو محقق دیگر به نام‌های چارلز اچ تاونس و آرتور ال شاولو راه دیگری برای طراحی لیزر پیشنهاد کردند. در واقع آنها نظریه «پمپ لیزرهای نوری» را دنبال می‌کردند که طبق آن نور لیزرها از مکش با یک منبع نور زیاد استخراج می‌شود.

این در حالی بود که دکتر جوان در تلاش بود از طریق جریانات برقی و نه یک منبع نوری زیاد، انرژی الکتریکی را به نور لیزر تبدیل کند؛ شیوه‌ای که امروزه با عنوان «لیزر گازی» در جهان شناخته می‌شود.

طرح ساخت تداخل‌سنج امواج گرانشی، طرحی بود که دکتر جوان سال 1370 با خود به ایران آورد تا اجرایی شود. این طرح در صورت اجرایی شدن در کشور، جهش بسیار بزرگی برای دانشمندان ایرانی و محققان سراسر جهان می‌شد، اما متاسفانه این طرح هرگز در کشور اجرایی نشد. شاید خبر کشف امواج گرانشی ـ که به کمک تداخل سنج امواج گرانشی لایگو ـ دو سال پیش جهان علم را تکان داد ـ نقطه عطفی در نقش لیزرهای گازی در جهان باشد.

در کنار همه این موارد طراحی و ساخت این لیزر، بنیان ساخت و استفاده از لیزرها را متحول کرد و از آن پس ابداعات فراوانی در زمینه طیف‌نگاری لیزری، استفاده از لیزر برای آزمایش دقیق نظریه نسبیت، ابداع فناوری اندازه‌گیری فرکانس دقیق در طیف نوری و ساخت نخستین نمونه ساعت‌های اتمی لیزری
انجام شد.

لیزر گازی چطور کار می‌کند؟

دکتر علی جوان را بیشتر بشناسید

علی جوان، پنجم دی 1305 در تهران به دنیا آمد. او تحصیلات خود در ایران را در دبیرستان البرز و سپس دانشگاه تهران انجام داد. سپس در سال 1327 به آمریکا رفت و در مقطع دکترای فیزیک دانشگاه کلمبیا تحصیلات خود را ادامه داد. این فیزیکدان ایرانی از دانشجویان چارلز هارد تاونز، برنده جایزه نوبل فیزیک 1964 بود و در همان سال‌ها به عضویت آکادمی ملی علوم آمریکا در آمد. از دیگر افتخارات او دریافت مدال فدریک ایوز از انجمن نورشناسی آمریکا به خاطر «پدید آوردن لیزر گازی با کاربردهای بی‌سابقه در پژوهش‌های علمی» است. همچنین سال 1372/ 1993 جایزه علمی جهانی آلبرت اینشتین را کسب کرد. دکتر جوان سال 1340/ 1961 به عضویت هیات علمی دانشگاه ام‌آی‌تی درآمد و در همان دانشگاه بازنشسته شد. نام او برای همیشه در کنار بزرگان فیزیک جهان همچون تئودور میمن، چارلز هارد تاونز، الکساندر میخایلوویچ و دیگر افراد تاثیرگذار این حوزه جاودانه شد.

سپیده شعرباف